微半球諧振陀螺是慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)�；诳剖险駝�(dòng)效應(yīng)原理的微半球陀螺相對(duì)其他的陀螺有許多優(yōu)勢(shì)。微半球陀螺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗干擾能力強(qiáng),并且在斷電后仍能工作一段時(shí)間。同時(shí),微半球陀螺以體積小、功耗低、啟動(dòng)時(shí)間短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到極大關(guān)注。但是,微半球陀螺的研究過程會(huì)遇到諸多問題,國內(nèi)高精度的微半球陀螺的研制面臨巨大挑戰(zhàn)。本文旨在從微陀螺儀的基本原理入手,對(duì)采用壓電材料研制的微半球陀螺進(jìn)行仿真和分析,再從機(jī)械域的理論分析過渡到電域的理論分析來研究壓電微陀螺的新型等效電路,從而解決傳統(tǒng)等效電路在描述實(shí)際壓電微陀螺工作狀態(tài)時(shí)誤差較大的問題。在微陀螺理論研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出微半球陀螺的控制與檢測(cè)的力平衡電路方案,搭建微陀螺的電路系統(tǒng),完成微半球陀螺的性能測(cè)試,并且進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了微半球陀螺的數(shù)字鎖相環(huán)回路和數(shù)字自動(dòng)增益控制回路,為微陀螺的測(cè)控電路領(lǐng)域的研究提供參考和支持。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TN70
【部分圖文】：

微加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了微陀螺在靈敏度和零偏穩(wěn)定性等性能的良好表現(xiàn)，同時(shí)微陀螺性能的提高也離不開高性能的完備的電路系統(tǒng)的支持，下面將會(huì)簡(jiǎn)單的介紹國內(nèi)外研究電路的現(xiàn)狀，從而能夠得到啟發(fā)，為本課題的電路設(shè)計(jì)服務(wù)。研究現(xiàn)狀將從模擬測(cè)控電路、數(shù)字測(cè)控電路以及數(shù)字電路的關(guān)鍵技術(shù)研究三個(gè)方面來介紹，其中的數(shù)字電路的技術(shù)研究包括溫度補(bǔ)償、正交補(bǔ)償和模態(tài)匹配等關(guān)鍵性技術(shù)。1.2.1 模擬測(cè)控電路在 2008 年，韓國國立首爾大學(xué)采用的是模擬的控制電路[4]，如圖 1-1 所示。針對(duì)振動(dòng)微陀螺儀設(shè)計(jì)了兩個(gè)環(huán)路，圖中下方的電路是用于驅(qū)動(dòng)模式下的自動(dòng)增益控制（AGC）環(huán)路，上方的電路是檢測(cè)模態(tài)的控制電路。AGC 環(huán)路由電荷放大器、模擬微分器、包含有低通濾波器的檢波電路、電壓增益控制和乘法器組成。其中，電荷放大器是利用施加在固定電極上的直流差分電壓的電荷積分電路來實(shí)現(xiàn)差分檢測(cè)。等效差分電路是由一階高通濾波器實(shí)現(xiàn)。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文后通過比例積分（PI）控制器來最小化誤差信號(hào)。PI 控制器的輸出信號(hào)連續(xù)調(diào)整VGA 的增益，使得驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振蕩幅度保持在期望的水平。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)角速率測(cè)量。該電路的開環(huán)檢測(cè)機(jī)制比較簡(jiǎn)單，前置放大電路輸出差分信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振蕩載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并使用低通濾波得到一個(gè)直流輸出，該信號(hào)與輸入的角度成比例關(guān)系。

北京大學(xué)搭建了AGC-PI的模擬控制電路[6]，如圖1-3所示。這個(gè)MEMS陀螺的信號(hào)處理系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)模態(tài)下的含有 PI 控制的 AGC 回路和檢測(cè)模態(tài)下的解調(diào)電路。整個(gè)控制電路是基于純模擬電路。振動(dòng)速度的信號(hào)是通過微分器在電容電壓轉(zhuǎn)換后獲得的。AGC 控制環(huán)路的主要部分是幅值檢測(cè)，由低通濾波器，PID 控制器和模擬乘法器組成。由 AGC 控制器輸出的交流分量通過緩沖器和反相器電路形成兩個(gè)反相信號(hào)，再增加固定的直流偏置信號(hào)，以形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接施加在驅(qū)動(dòng)梳齒的電極上。在模擬電路中，整流器、低通濾波器和 PID 控制器是由運(yùn)算放大器和一些基本的電容、電阻和二極管搭建實(shí)現(xiàn)的。PID 控制器可以通過使用單一的運(yùn)算放大器或多個(gè)運(yùn)算放大器的形式實(shí)現(xiàn)。前者的優(yōu)點(diǎn)在于元件較少，但控制參數(shù)相互耦合，不能單獨(dú)調(diào)節(jié)，后者具有獨(dú)立的 PID 控制特性，可以獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2845586